EP2765825B1 - Fluidwärmer und Verfahren zum Betrieb eines Fluidwärmers - Google Patents

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EP2765825B1
EP2765825B1 EP20130154381 EP13154381A EP2765825B1 EP 2765825 B1 EP2765825 B1 EP 2765825B1 EP 20130154381 EP20130154381 EP 20130154381 EP 13154381 A EP13154381 A EP 13154381A EP 2765825 B1 EP2765825 B1 EP 2765825B1
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EP
European Patent Office
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fluid
resistance heating
heat exchanger
fluid warmer
voltage
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Axel Stihler
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Stihler Electronic Medizinische Geraete Produktions und Vertriebs GmbH
Stihler Electronic GmbH
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Stihler Electronic Medizinische Geraete Produktions und Vertriebs GmbH
Stihler Electronic GmbH
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61M—DEVICES FOR INTRODUCING MEDIA INTO, OR ONTO, THE BODY; DEVICES FOR TRANSDUCING BODY MEDIA OR FOR TAKING MEDIA FROM THE BODY; DEVICES FOR PRODUCING OR ENDING SLEEP OR STUPOR
    • A61M5/00—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests
    • A61M5/44—Devices for bringing media into the body in a subcutaneous, intra-vascular or intramuscular way; Accessories therefor, e.g. filling or cleaning devices, arm-rests having means for cooling or heating the devices or media
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/0244—Heating of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B1/00—Details of electric heating devices
    • H05B1/02—Automatic switching arrangements specially adapted to apparatus ; Control of heating devices
    • H05B1/0227—Applications
    • H05B1/023—Industrial applications
    • H05B1/025—For medical applications

Definitions

  • the invention relates to a fluid warmer and a method for operating a fluid heater.
  • fluid heaters are routinely employed to preheat the medical fluid flowing in the fluid conduit to a temperature near or above body temperature, typically 37 ° C or above.
  • the fluid heaters must have high thermal performance in clinical practice to reliably warm medical fluids at higher flow rates.
  • the fluid heaters should have a compact design in order to simplify their handling, in particular as mobile units or as add-on units for other medical devices or apparatuses.
  • Fluid heaters available on the market therefore generally have resistance heating elements for operation on AC or mains voltage, in which correspondingly dimensioned power supply units are unnecessary.
  • the resistance heating elements are each provided with a first and a second electrical power connection conductor in order to electrically connect the resistance heating elements to an AC voltage source (mains voltage).
  • the fluid line For heat transfer to the fluid line and the medical fluid guided therein serves a heat exchanger, which is thermally conductively connected (coupled) with the resistance heating elements.
  • the fluid line generally has a bag-shaped line section in order to ensure efficient heat transfer to the fluid.
  • the heat exchanger is often at least partially plate-shaped, in order to ensure efficient heat transfer to the fluid line.
  • the tempered fluids are in practice typically bypassing the skin resistance with the person in an electrically conductive contact.
  • AC voltage ie, in particular mains voltage with 100 V to 240 V
  • operated resistance heating elements can due to a capacitive coupling with other components of the fluid heater, in particular the Heat exchanger, to disorders other diagnostic or therapeutic devices, such as ECG devices, or electrically excitable organ structures, in particular of the heart lead.
  • the fluid heaters used in the medical sector must therefore meet high electrical safety requirements and meet the strict safety standards of the internationally standardized classification "CF" (short for "cardiac floating"). According to this, patient leakage currents, ie leakage currents conducted via a person in contact with the fluid, must not exceed a total current intensity of 10 ⁇ A (microamps) under normal conditions and 50 ⁇ A in the event of a fault.
  • a known fluid heater with two resistance heating elements is off DE 10 2010 036 295 A1 known.
  • a method for operating such a fluid warmer is to be specified by which an even higher level of electrical reliability can be ensured.
  • the fluid heat-related object is achieved by a fluid heater with the features specified in claim 1 and the object relating to the method by an operating method with the features specified in claim 12.
  • the fluid warmer comprises a first and a second resistance heating element for alternating voltage and a heat exchanger coupled to the two resistance heating elements, which has a receptacle for the fluid line.
  • Each resistance heating element has in each case a first and a second electrical connection conductor for connecting the resistance heating element to an AC voltage source.
  • the connection conductors of the two resistance heating elements are each with a provided first switch to connect the resistance heating elements to the AC voltage source energized or completely disconnect electrically from the AC voltage source, ie, to prevent current flow through the connecting conductors of the resistance heating elements in total.
  • opposite-phase AC voltages can be applied to the resistance heating elements of the fluid warmer in the temperature control operation of the fluid warmer.
  • the two resistance heating elements are thus traversed as ohmic consumers in the tempering of heating currents, which have a phase relationship with respect to each other in phase.
  • interference voltages in the heat exchanger can cancel each other out by capacitive interference of the two resistance heating elements in the heat exchanger or cancel each other substantially.
  • the resistance heating elements for this purpose preferably have matching electrical characteristics and are arranged in a comparable position / position relative to the heat exchanger. It should be noted that in this solution, of course, requires a device-internal AC voltage source that provides an alternating voltage for heating the one resistance heating, which is exactly or almost exactly 180 ° out of phase with the AC voltage of the other resistance heating.
  • the resistance heating elements can also be acted upon by alternating voltages which are in phase with one another in the tempering operation, that is to say that in-phase AC voltages are applied to the resistance heating elements in tempering operation.
  • the resistance heating elements are traversed in the sequence in the tempering of heating currents, which have a mutually in-phase course over time.
  • the fluid warmer has a compensation circuit, by means of which a compensation AC voltage which is in phase opposition to the alternating voltage of the resistance heating elements can be applied to the heat exchanger.
  • the compensation circuit it is advantageous to provide only that power which is actually due to the interference in the heat exchanger is generated.
  • the capacitive interference associated with the temperature control operation of the resistance heating elements can be compensated or substantially compensated for in the heat exchanger and accordingly in the fluid line or the medical fluid guided therein.
  • the fluid heater according to the invention further comprises a measuring device for determining a voltage between the heat exchanger and a neutral conductor of the AC voltage source or a component of the fluid heater electrically connected to the neutral conductor.
  • the measuring device is preferably designed for a continuous determination or measurement of the voltage.
  • the fluid warmer furthermore has a control device for controlling the operating sequences of the fluid warmer.
  • the control device is preferably designed to synchronize the first switch in response to the voltage between the heat exchanger and the neutral conductor of the AC voltage source in its open switching state.
  • a potentially dangerous leakage current can thereby occur which is capacitively transferred from the fluid to the heat carrier device and from the latter (capacitively) to the resistance heating elements and dissipated via the neutral conductor of the AC voltage source.
  • an undesired leakage current originating from the fluid warmer for example, as a result of a malfunction of the fluid heater, can be detected early and be stopped.
  • the switch is understood to be that switching state in which a power line is interrupted via the switches under the opened switching state.
  • the predetermined time interval, within which the switches are transferred to their open switching state, is always dimensioned so that a risk to the patient can be reliably excluded by fault or patient leakage currents.
  • the fluid warmer according to the invention can fulfill the relevant standard for the international safety classification "CF" (short for "Cardiac Floating"), without the need for a separate functional earthing of the heat exchanger device is required. This offers design advantages.
  • the compensating circuit explained above can also be provided according to the invention in the above-described loading of the resistance heating elements with the mutually opposite-phase AC voltages.
  • a capacitive charging of the heat exchanger occurring in spite of the anti-phase AC operation of the resistance heating elements by the radiation of the resistance heating elements (and associated unwanted leakage currents) can be completely or almost completely compensated. This may be necessary, for example, if the electrical properties of the resistance heating elements are not exactly matched.
  • the compensation circuit may in particular comprise an electrical LC resonant circuit with a coil L and a capacitor C which is connected to the heat exchanger.
  • the capacitor and the coil can be connected in particular in series.
  • the coil can be designed as a secondary side of a transformer T which is electrically connected in parallel on the primary side to the resistance heating element. That is, the transformer is the primary side connected to the mains connection conductor of at least one resistance heating element (ie, connected in parallel with the resistance heating element) and can thus be operated simultaneously with the resistance heating at the AC voltage source.
  • the LC resonant circuit can thereby to (forced) electrical vibrations are excited with a frequency corresponding to the AC or mains voltage.
  • the resonant circuit described above may also be constructed with electronic components (eg, using a microprocessor).
  • the compensation circuit may also comprise a so-called phase locked loop or a phase shifter known per se.
  • the fluid heater according to the invention preferably has a polarity switching device, by means of which the mains connection conductor can be connected to the AC voltage source with a predetermined polarity.
  • the measuring device can have a comparator circuit implemented by hardware, by means of which the electrical voltage between the heat exchanger and the neutral conductor of the alternating voltage source can be detected.
  • the fluid warmer preferably has a temperature measuring device with a temperature sensor assigned to the heat exchanger.
  • the temperature sensor is preferably connected via an electrically conductive connection line to an evaluation and / or display unit.
  • the electrical safety of the Fluid Shers can in this case be further increased according to the invention in that the electrical connection line per connecting conductor has one or more controllable switch, the /, preferably by the Control device, at the same time as the first switches of the connection conductor of the resistance heating elements in its open switching state can be transferred / are.
  • the heat exchanger is function grounded.
  • a local equipotential bonding can additionally be created without the leakage currents being able to flow away via the medical fluid as so-called patient leakage currents.
  • the risk of cardiac arrhythmias or even disorders of other medical devices and devices such as an ECG device or an internal / external defibrillator can be counteracted even more reliable.
  • the heat exchanger is electrically connected in this case with a functional grounding conductor (FE).
  • the function grounding conductor advantageously has a third switch, which can be controlled by the control device.
  • the switch of the function grounding conductor is jointly (synchronously) with the first switches of the connecting conductors of the resistance heating elements and, if present, with the second switch of the temperature measuring device, in the open switching state can be transferred. In the event of an error, this can effectively prevent unwanted outflow of hazardous residual currents ("SFC" error) via the functional earthing conductor.
  • SFC hazardous residual currents
  • the control device can have a sensor for detecting the leakage current I A via the functional grounding conductor.
  • the control device is preferably programmed to monitor the functional integrity of the functional grounding conductor and / or the efficiency of the compensation device based on the size or the existing leakage current.
  • the functional grounding conductor is preferably provided with a series resistor upstream of the sensor.
  • the controllable first, second and / or third switches can be designed according to the invention in particular as electronic switches, for example as TRIACs (bidirectional thyristor triode) or as MOSFETs (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). These are pre-assembled on the market and therefore available at low cost. In the case of the electronic switch also very short switching times can be realized. Due to the lack of switching contacts thereby also wear of the switch and unwanted bouncing effects can be avoided.
  • the switches may also be at least partially designed as a relay according to a development of the invention.
  • the maximum switching time of the switches is, for example, at an alternating voltage of 50 Hz, preferably less than 10 ms, most preferably less than 1 ms.
  • the switches are in each case designed in duplicate, that is, by two individual switches arranged in series, which can be actuated synchronously.
  • the switches are preferably convertible to their open switching state at a voltage which corresponds to a defined threshold voltage value or is greater than the threshold voltage value.
  • the threshold voltage value may in particular be 132 volts AC and is preferably stored in the controller.
  • the heat exchanger of Fluid Vietnamesers may in the structurally simplest case according to the invention comprise two or more heat exchanger plates, which form the receptacle for the fluid line between each other.
  • the heat exchanger plates can in this case be movable relative to one another in a manner known per se or else be arranged rigidly relative to one another on a heat plate carrier of the fluid heater.
  • the receptacle can be, for example, a push-in channel for a container-like line section of the fluid line, such as a fluid bag or a fluid cassette.
  • the fluid warmer preferably has an output of at least 0.25 kilowatts, preferably more than 0.35 kilowatts, in particular about 0.4 kilowatts.
  • the inventive method allows a particularly reliable and safe operation of the fluid heater according to the invention.
  • Fig. 1 1 shows a fluid heater 10 for tempering a medical fluid 14 guided in a fluid line 12.
  • the fluid heater 10 has a housing 16 with two resistance heating elements 18 arranged spaced apart in the housing 16 , which are thermally coupled to a heat exchanger 20 , ie, thermally conductively connected thereto , are. That in the Fig. 1 Right side shown resistance heating element 18 is indicated for illustrative purposes only with dashed line.
  • the resistance heating elements 18 are presently each formed as a heating coil, but may also have a different shape.
  • the heat exchanger 20 has two mutually parallel heat exchanger plates 20a, 20b , which are arranged to form a receptacle 22 spaced from each other.
  • a bag-shaped extended conduit section (fluid bag) 12a of the fluid conduit 12 is inserted or loaded.
  • the line section 12a is applied to the two heat exchanger plates 20a, 20b of the heat exchanger 20 substantially over the entire surface. This ensures optimum heat transfer to the fluid 14 flowing in the fluid line.
  • the fluid line 12 is designed as an infusion line known per se in the medical sector and consists of a plastic.
  • the fluid line is connected at one end, for example via a non-illustrated venous access / venous indwelling catheter, to a bloodstream (not shown) of a person P to be treated.
  • the fluid 14 is thus present with the blood circulation of the person P, bypassing the usually high-impedance skin resistance in an electrically conductive contact.
  • G is another (medical) device referred to, which may be formed, for example, as a dialysis unit. The device G is operated simultaneously with the fluid heater and is connected to this / the person P via the fluid line 12.
  • Each resistance heating element 18 has a first and a second power connection conductor 24a, 24b , which serve as an electrical connection of the resistance heating element 18 to a mains voltage, ie, to an external AC voltage source 26 .
  • the mains connection conductors of the resistance heating element 18 shown on the right in the figure are not shown.
  • the AC voltage source 26 provided for the operation of the resistance heating elements 18 has a customary country-specific operating voltage of, for example, 230 V ⁇ 10%, and a mains frequency of approximately 50 Hz.
  • the upper power connection conductor 24a of the resistance heating elements 18 is electrically conductively connected to an outer conductor 26a of the alternating voltage source and the second power connection conductor 24b is electrically connected to a neutral conductor 26b of the alternating voltage source 26.
  • the two power connection conductors 24a, 24b and the respective resistance heating element 18 form a mains circuit of the fluid warmer 10, which is electrically insulated from the patient P or a user by means of a reinforced, here double insulation 28 .
  • a reinforced, here double insulation 28 In the case of the resistance heating element 18 shown on the right in the figure, the insulation 28 is not shown for purposes of illustration.
  • the two AC voltages are in phase with each other, so that the resistance heating elements 18 are traversed in the temperature control of mutually in-phase heating currents.
  • An electrical compensation device here a compensation circuit 30, serves to compensate for a unavoidable in the tempering of the fluid heater 10 capacitive interference of the resistance heating elements 18 in the heat exchanger 20.
  • the compensation circuit 30 includes an LC oscillation circuit 32 having a coil L and a capacitor C.
  • the LC resonant circuit is connected to the heat exchanger and the mains connection conductor, which is connected to the AC voltage source on the neutral conductor side.
  • the coil L and the capacitor C of the LC resonant circuit 32 are connected in series in the present case.
  • the coil L is formed by a secondary side of a transformer T , which is connected on the primary side to the two power connection conductors 24a, 24b of the resistance heating elements 18.
  • the LC resonant circuit In the common operation of the resistance heating elements 18 and the transformer T to the mains voltage of the AC voltage source 26, the LC resonant circuit is excited to an electrical oscillation. Due to a (predetermined) phase shift of the current in the LC resonant circuit (of approximately 180 °) relative to the heating current of the resistance heating elements 18, the capacitive interference of the resistance heating elements in the heat exchanger 20 is compensated or substantially compensated.
  • the resonant circuit described above may also be constructed with electronic components (eg, using a microprocessor).
  • a control device 34 with a display and control panel (not shown in greater detail) serves to control all operating parameters of the fluid warmer 10.
  • the control device 34 is programmed to detect a network input-side polarity of the mains connection conductors 24a, 24b at the AC voltage source 26.
  • the polarity of the mains connection conductor 24a, 24b can by means of a controlled by the controller Polungsumschalt worn 36 to those in the Fig. 1 shown (default) polarity can be switched.
  • the compensation function of the compensation circuit is ensured independently of a mechanical connection of the power supply conductors 24a, 24b.
  • a temperature measuring device 38 serves for monitoring the temperature of the heat exchanger 20 to an evaluation unit 40 and having disposed on or in the heat exchanger 20 temperature sensor 42.
  • the temperature sensor 42 is connected via an electrically conductive connecting line 44 to the evaluation unit 40th
  • the temperature measuring device 38 may be part of the control device 34.
  • the control device 34 has a voltage measuring device 46 , by means of which an electrical voltage U between the heat exchanger 20 and the neutral conductor 26b of the AC voltage source 26 can be detected or monitored.
  • the two power supply conductors 24a, 24b of the resistance heating elements 18 are provided with controllable first switches 48a and the connecting line 44 of the temperature measuring device 38 is provided with controllable second switches 48b.
  • the switches 48a, 48b are each switchable between a switched (closed) and an off (opened) switching state shown in the figure.
  • the switches 48a, 48b are current-conducting, ie their switch input is electrically conductively connected to the switch output in a low-impedance manner.
  • the switches are not current-conducting, ie, their input and output are electrically isolated from each other in the switched-off state.
  • the switches 48a, 48b are each designed as relays, but may also be designed as MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistor), TRIACs (bidirectional thyristor triodes) or the like.
  • the switches 48a, 48b can be controlled by the control device 34.
  • the given time interval, within of which the switches 48a, 48b are convertible by the control device 34 into its open switching state, is always smaller than a period, preferably less than a half-period duration, the alternating voltage of the alternating voltage source 26 used for the operation of the resistance heating elements 18.
  • the time interval is at a network frequency of 50 Hz, in particular less than 10 ms.
  • a threshold voltage value U max is stored (stored) for the electrical voltage between the heat exchanger and the neutral conductor 26b of the AC voltage source 26.
  • the control device 34 is programmed to transfer the switches 48a, 48b into their open switching state as soon as the voltage U between the heat exchanger and the neutral conductor 26b reaches or exceeds the threshold voltage value U max .
  • SFC a fault
  • an outflow of undesirable leakage current from the heat exchanger 20 via the resistance heating elements 18 or the temperature measuring device 38 and the neutral conductor 26b of the alternating voltage source 26 can be prevented.
  • a further capacitive coupling of the resistance heating elements 18 in the heat exchanger 20 and the fluid 14 guided therein is prevented. An unwanted leakage of the fluid heater via the fluid line can be counteracted safely.
  • antiphase alternating voltages are applied to the two resistance heating elements 18 in the temperature control mode.
  • the compensation circuit described above is not required.
  • a phase shifter or the like can be used.
  • Fig. 2 shows a fluid warmer 10, different from that associated with Fig. 1 substantially different in that the heat exchanger 20 is functionally grounded by means of a functional grounding conductor FE is.
  • the functional grounding conductor FE is electrically conductively connected to the protective conductor PE of the fluid heater 10.
  • the functional grounding conductor FE is connected to a controllable by the control device third switch 48c .
  • the controllable third switch can be identical to the other switches 48a, 48b .
  • a current measuring device 50 is connected to the control device 34 and serves to detect the leakage current flowing through the functional earth conductor (ab).
  • the current measuring device 50 is preceded by a series resistor R.
  • the control device 34 is in the present case programmed to compare the leakage current I A with a minimum threshold current intensity I min stored in the control device 34 and, if the leakage current I A is less than or equal to the minimum threshold current intensity I min , the controllable first, second and third switches 38a, 38b, 38 c together within the predetermined switching time in their open switching state.
  • the control device 34 (FIG. Fig. 1 . 2 ) of the fluid warmer 10 is programmed to carry out the individual process steps. However, the control device 34 can also allow the execution of the method 100 by virtue of its purely hardware-related design.
  • the controller 34 After connecting 102 of the fluid heater 10 to the AC voltage source 26 and turning on the Fluid Hadrs 10, the controller 34 is initially in a standby mode.
  • the polarity of the mains connection conductors 24a, 24b with respect to AC voltage source 26 determined and compared with the predetermined polarity.
  • the polarity is adjusted by the control unit 34 by means of the polarity changeover switch 36 to those in FIG FIGS. 1 and 2 converted shown predetermined polarity.
  • the first switches of the two power connection conductors 24a, 24b are closed in a further step 106 .
  • the intermittent "down" and “on” of the resistance heating elements 18 is required.
  • only the controllable first switches 48a of the power supply conductor 24a connected to the outer conductor 26a of the AC voltage source 26 are actuated by the control device 34 during normal operation of the fluid heater.
  • the voltage U between the heat exchanger 20 and the neutral conductor 26b of the AC voltage source 26 is detected continuously by the voltage measuring device 46 and the detected voltage U from the control device 34 with the threshold voltage value U stored in the control device 34 max compared.
  • the switches 48a, 48b, 48c are jointly transferred to their open switching state within the predetermined time interval in a further step 110 so that the fluid warmer 10 is in an activated protection mode.
  • the control device additionally monitors the leakage current I A flowing via the functional grounding conductor FE in the temperature control operation of the fluid warmer 10 in a step 112. As soon as the leakage current I A is equal to or less than the minimum threshold current I min , this is called a malfunction (break) of the functional grounding conductor is evaluated and the control device 34 transfers the switches 48a, 48b, 48c in step 110 into their open switching state. In the stand-alone operation of the fluid heater 10, a faulty functional grounding FE of the heat exchanger 20 can be detected and a risk to the patient P can be counteracted by undesirably high patient leakage currents.
  • the fluid warmer 10 is also in its activated protection mode here.
  • the activated protection mode of the fluid warmer 10 can be optically and / or acoustically displayed to the operator by a signal generator in a further step 114 on the fluid warmer 10.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Fluidwärmer und ein Verfahren zum Betrieb eines Fluidwärmers.
  • Die Applikation größerer Mengen ungewärmter Fluide, beispielsweise beim intravenösen Verabreichen von Blutprodukten oder Infusionslösungen, kann nicht zuletzt aufgrund des damit einhergehenden Verlusts an Körperwärme nachteilige physiologische Effekte haben.
  • In der klinischen Praxis werden daher routinemäßig Fluidwärmer eingesetzt, um das in der Fluidleitung strömend geführte medizinische Fluid auf eine Temperatur nahe der Körpertemperatur von üblicher Weise 37° Celsius oder auch darüber vorzuwärmen. Die Fluidwärmer müssen in der klinischen Praxis über eine hohe Wärmeleistung verfügen, um auch medizinische Fluide bei höheren Flussraten zuverlässig aufzuwärmen. Die Fluidwärmer sollen dabei eine kompakte Bauform aufweisen, um deren Handhabung, insbesondere als mobile Einheiten oder auch als Anbaueinheiten für andere medizinische Geräte bzw. Apparate, zu vereinfachen. Am Markt verfügbare Fluidwärmer weisen deshalb in der Regel Widerstandsheizelemente für den Betrieb an Wechsel- bzw. Netzspannung auf, bei denen sich entsprechend dimensionierte Leistungsnetzteile erübrigen. Die Widerstandsheizelemente sind jeweils mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Netzanschlussleiter versehen, um die Widerstandsheizelemente mit einer Wechselspannungsquelle (Netzspannung) elektrisch leitend zu verbinden. Zur Wärmeübertragung auf die Fluidleitung und das darin geführte medizinische Fluid dient ein Wärmeübertrager, der mit den Widerstandsheizelementen thermisch leitend verbunden (gekoppelt) ist. Die Fluidleitung weist aus Effizienzgründen in der Regel einen beutelförmigen Leitungsabschnitt auf, um eine effiziente Wärmeübertragung auf das Fluid zu gewährleisten. Der Wärmeübertrager ist häufig zumindest abschnittsweise plattenförmig ausgebildet, um eine effiziente Wärmeübertragung auf die Fluidleitung zu gewährleisten.
  • Die temperierten Fluide kommen in der Praxis typischer Weise unter Umgehung des Hautwiderstands mit der Person in einen elektrisch leitenden Kontakt. An Wechselspannung, d.h., insbesondere Netzspannung mit 100 V bis 240 V, betriebene Widerstandsheizelemente können aufgrund einer kapazitiven Kopplung mit anderen Bauteilen des Fluidwärmers, insbesondere dem Wärmeübertrager, zu Störungen anderer Diagnostik- bzw. Therapiegeräte, beispielsweise von EKG-Geräten, oder auch von elektrisch erregbaren Organstrukturen, insbesondere des Herzens, führen. Die im medizinischen Bereich eingesetzten Fluidwärmer müssen daher grundsätzlich hohen Anforderungen an die elektrische Sicherheit genügen und die strengen Sicherheitsnormen der international einheitlichen Klassifizierung "CF" (= Kurzform für "cardiac floating") erfüllen. Hiernach dürfen Patientenableitströme, d.h., über eine mit dem Fluid in Kontakt stehende Person geführte Leckströme, eine Stromstärke von insgesamt 10 µA (Mikroampere) unter Normalbedingungen und 50 µA im Fehlerfall nicht überschreiten.
  • Ein bekannter Fluidwärmer mit zwei Widerstandsheizelementen ist aus DE 10 2010 036 295 A1 bekannt.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung einen eingangs genannten Fluidwärmer anzugeben, der die CF-Klassifikation bei einfachem konstruktivem Aufbau erfüllen kann. Darüber hinaus soll ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fluidwärmers angegeben werden, durch das ein nochmals höheres Maß an elektrischer Betriebssicherheit gewährleistet werden kann.
  • Die den Fluidwärmer betreffende Aufgabe wird durch einen Fluidwärmer mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen und die das Verfahren betreffende Aufgabe durch ein Betriebsverfahren mit den in Patentanspruch 12 angegebenen Merkmalen gelöst.
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung.
  • Der erfindungsgemäße Fluidwärmer umfasst ein erstes und ein zweites Widerstandsheizelement für Wechselspannung und einen mit den beiden Widerstandsheizelementen gekoppelten Wärmeübertrager, der eine Aufnahme für die Fluidleitung aufweist. Jedes Widerstandsheizelement weist jeweils einen ersten und einen zweiten elektrischen Anschlussleiter zum Anschließen des Widerstandsheizelements an eine Wechselspannungsquelle auf. Die Anschlussleiter der beiden Widerstandsheizelemente sind jeweils mit einem ersten Schalter versehen, um die Widerstandsheizelemente mit der Wechselspannungsquelle stromführend zu verbinden oder aber von der Wechselspannungsquelle vollständig elektrisch zu trennen, d.h., einen Stromfluss über die Anschlussleiter der Widerstandsheizelemente insgesamt zu unterbinden.
  • Erfindungsgemäß können an den Widerstandsheizelementen des Fluidwärmers im Temperierbetrieb des Fluidwärmers zueinander jeweils gegenphasige Wechselspannungen anliegen. Die beiden Widerstandsheizelemente sind somit als ohmsche Verbraucher im Temperierbetrieb von Heizströmen durchflossen, die einen zueinander gegenphasigen zeitlichen Verlauf aufweisen. Dadurch können sich Störspannungen im Wärmeübertrager durch kapazitive Einstreuungen der beiden Widerstandsheizelemente in den Wärmeübertrager gegeneinander aufheben oder im Wesentlichen gegeneinander aufheben. Es versteht sich, dass die Widerstandsheizelemente dazu vorzugsweise übereinstimmende elektrische Kennwerte aufweisen und in einer vergleichbaren Position/Lage relativ zum Wärmeübertrager angeordnet sind. Zu beachten ist, dass es bei dieser Lösung freilich einer geräteinternen Wechselspannungsquelle bedarf, die für das Heizen des einen Widerstandsheizelement eine Wechselspannung bereitstellt, die zu der Wechselspannung des anderen Widerstandsheizelements exakt oder nahezu exakt um 180 ° phasenverschoben ist.
  • Die Widerstandsheizelemente können im Temperierbetrieb erfindungsgemäß auch mit zueinander gleichphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sein, d.h., an den Widerstandsheizelementen liegen im Temperierbetrieb zueinander gleichphasige Wechselspannungen an. Die Widerstandsheizelemente sind in der Folge im Temperierbetrieb von Heizströmen durchflossen, die einen zueinander gleichphasigen zeitlichen Verlauf aufweisen. Der Fluidwärmer weist in diesem Fall zur Kompensation der kapazitiven Einstreuung der Widerstandsheizelemente in den Wärmeübertrager eine Kompensationsschaltung auf, durch die an dem Wärmeübertrager eine im Wesentlichen zur Wechselspannung der Widerstandsheizelemente gegenphasige Kompensationswechselspannung anlegbar ist. Von der Kompensationsschaltung muss dabei vorteilhaft nur diejenige Leistung erbracht werden, die tatsächlich durch die Einstreuungen in den Wärmeübertrager generiert wird. Bei einem Fluidwärmer mit beispielsweise 400 W elektrischer Leistung und einer kapazitiven Streuung (Ableitstrom) von beispielsweise 88 µA ergibt sich dann eine aufzuwendende Kompensationsleistung P mit P = 230 VAC • 88 µA = 0,02 W.
  • Bei beiden vorgenannten elektrischen Betriebsarten der Widerstandsheizelemente kann die mit dem Temperierbetrieb der Widerstandsheizelemente einhergehende kapazitive Einstreuung in den Wärmeübertrager und demgemäß in die Fluidleitung bzw. das darin geführte medizinische Fluid kompensiert oder im Wesentlichen kompensiert werden.
  • Der Fluidwärmer weist nach der Erfindung weiterhin eine Messeinrichtung zum Bestimmen einer Spannung zwischen dem Wärmeübertrager und einem Neutralleiter der Wechselspannungsquelle bzw. einem mit dem Neutralleiter elektrisch leitend verbundenen Bauteil des Fluidwärmers auf. Die Messeinrichtung ist dabei vorzugsweise für ein kontinuierliches Bestimmen bzw. Messen der Spannung ausgelegt.
  • Der Fluidwärmer weist erfindungsgemäß weiterhin eine Steuereinrichtung zum Steuern der Betriebsabläufe des Fluidwärmers auf. Die Steuereinrichtung ist dabei vorzugsweise ausgelegt, die ersten Schalter in Abhängigkeit von der Spannung zwischen dem Wärmeübertrager und dem Neutralleiter der Wechselspannungsquelle synchronisiert in ihren geöffneten Schaltzustand zu überführen. Im Fehlerfall, d.h., wenn beispielsweise eine mit der Fluidleitung elektrisch leitend verbundene Person, etwa aufgrund eines Gerätefehlers eines zeitgleich mit dem Fluidwärmer betriebenen weiteren Geräts, an Netzspannung anliegt (sogenannter "SFC"-Fehlerfall), kann dadurch ein für die Person potentiell gefahrvoller Ableitstrom, der von dem Fluid kapazitiv auf die Wärmebertragereinrichtung und von dieser (kapazitiv) auf die Widerstandsheizelemente übertragen und über den Neutralleiter der Wechselspannungsquelle abgeführt würde, unterbunden werden. Darüber hinaus kann auch einem vom Fluidwärmer herrührender unerwünschter Ableitstrom, beispielsweise in Folge einer Fehlfunktion des Fluidwärmers, frühzeitig erkannt und unterbunden werden. Dies ist für die elektrische Betriebssicherheit des Fluidwärmers insgesamt von Vorteil. Vorliegend wird unter dem geöffneten Schaltzustand der Schalter derjenige Schaltzustand verstanden, bei dem eine Stromleitung über die Schalter unterbrochen ist. Das vorgegebene Zeitintervall, innerhalb dessen die Schalter in ihren geöffneten Schaltzustand überführt werden, ist immer so bemessen, dass eine Gefährdung des Patienten durch Fehler- bzw. Patientenableitstöme sicher ausgeschlossen werden kann. Der erfindungsgemäße Fluidwärmer kann die einschlägige Norm für die internationale Sicherheitsklassifizierung "CF" (Kurzform für "Cardiac Floating") erfüllen, ohne dass hierzu eine separate Funktionserdung der Wärmeüberträgereinrichtung erforderlich ist. Dies bietet konstruktive Vorteile.
  • Die vorstehend erläuterte Kompensationsschaltung kann erfindungsgemäß auch bei der vorstehend erläuterten Beaufschlagung der Widerstandsheizelemente mit den zueinander gegenphasigen Wechselspannungen vorgesehen sein. Dadurch kann eine trotz des gegenphasigen Wechselspannungsbetrieb der Widerstandsheizelemente auftretende kapazitive Aufladung des Wärmeüberträgers durch die Einstrahlungen der Widerstandsheizelemente (und damit einhergehende unerwünschte Ableitströme) vollständig oder nahezu vollständig kompensiert werden. Dies kann beispielsweise bei nicht exakt aufeinander abgestimmten elektrischen Eigenschaften der Widerstandsheizelemente erforderlich sein.
  • Die Kompensationsschaltung kann insbesondere einen elektrischen LC-Schwingkreis mit einer Spule L und einem Kondensator C aufweisen, der an dem Wärmeübertrager angeschlossen ist. Der Kondensator und die Spule können dabei insbesondere in Reihe geschaltet sein. Die Spule kann im konstruktiv einfachsten Fall als Sekundärseite eines Transformators T ausgebildet sein, der primärseitig zum Widerstandsheizelement elektrisch parallel geschaltet ist. D.h., der Transformator ist primärseitig an die Netzanschlussleiter zumindest eines Widerstandsheizelements angeschlossen (d.h., zu dem Widerstandsheizelement parallel geschaltet) und kann somit zeitgleich mit den Widerstandsheizelementen an der Wechselspannungsquelle betrieben werden. Der LC-Schwingkreis kann dadurch zu (erzwungenen) elektrischen Schwingungen mit einer der Wechsel- bzw. Netzspannung entsprechenden Frequenz angeregt werden. Aufgrund der Phasenverschiebung des dadurch verursachten Stroms im LC-Schwingkreis kann der durch den zeitgleichen Betrieb des Widerstandsheizelements induzierte (kapazitive) Ableitstrom des Wärmeübertragers im Wesentlichen kompensiert werden. Die Gefahr einer möglichen Patientengefährdung wird dadurch verringert. Der oben beschriebene Schwingkreis kann auch mit elektronischen Bauelementen aufgebaut sein (z.B. unter Verwendung eines Mikroprozessors).
  • Die Kompensationsschaltung kann alternativ auch eine sogenannte Phasenregelschleife oder einen an sich bekannten Phasenschieber umfassen.
  • Der Fluidwärmer weist nach der Erfindung vorzugsweise eine Polungsumschalteinrichtung auf, mittels derer die Netzanschlussleiter mit einer vorgegebenen Polung mit der Wechselspannungsquelle verbindbar sind. Dadurch kann die Kompensation der kapazitiven Einstreuung der Widerspannungsheizelemente in den Wärmeüberträger ermöglicht werden, ohne dass hierzu eine weitere Kontrolle/eingangsseitige Umpolung der Polung der Kompensationsschaltung erforderlich ist.
  • Die Messeinrichtung kann insbesondere eine hardwaremäßig realisierte Komparatorschaltung aufweisen, mittels derer die elektrische Spannung zwischen dem Wärmeübertrager und dem Neutralleiter der Wechselspannungsquelle erfassbar ist.
  • Der Fluidwärmer weist für das Regeln des Temperiervorgangs vorzugsweise eine Temperaturmesseinrichtung mit einem dem Wärmeübertrager zugeordneten Temperatursensor auf. Der Temperatursensor ist vorzugsweise über eine elektrisch leitende Verbindungsleitung an eine Auswerte- und/oder Anzeigeeinheit angebunden. Die elektrische Betriebssicherheit des Fluidwärmers kann in diesem Fall erfindungsgemäß dadurch nochmals weiter erhöht werden, dass die elektrische Verbindungsleitung je Verbindungsleiter einen oder auch mehrere ansteuerbare Schalter aufweist, der/die, vorzugsweise durch die Steuereinrichtung, zeitgleich mit den ersten Schaltern der Anschlussleiter der Widerstandsheizelemente in ihren geöffneten Schaltzustand überführbar ist/sind.
  • Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Wärmeübertrager funktionsgeerdet. Dadurch kann im Bereich des Wärmeübertrager, insbesondere bei einer nicht vollständigen Kompensation der kapazitiven Einstreuung in den Wärmeübertrager, zusätzlich ein örtlicher Potenzialausgleich geschaffen werden, ohne dass hierzu Ableitströme als sogenannte Patientenableitströme über das medizinische Fluid abfließen kann. Dadurch kann der Gefahr von Herzrhythmusstörungen oder auch Störungen von anderen medizintechnischen Apparaten und Geräten, wie beispielsweise einem EKG-Gerät oder einem internen/externen Defibrillator nochmals zuverlässiger entgegengewirkt werden.
  • Der Wärmeübertrager ist in diesem Fall mit einem Funktionserdungsleiter (FE) elektrisch leitend verbunden. Der Funktionserdungsleiter weist vorteilhaft einen, vorzugsweise von der Steuereinrichtung, ansteuerbaren dritten Schalter auf. Im Fehlerfall ist der Schalter des Funktionserdungsleiters gemeinsam (synchron) mit den ersten Schaltern der Anschlussleiter der Widerstandsheizelemente und, sofern vorhanden, mit dem zweiten Schalter der Temperaturmesseinrichtung, in den geöffneten Schaltzustand überführbar. Im Fehlerfall kann dadurch ein unerwünschtes Abfließen von gefahrvollen Fehlerströmen ("SFC"-Fehlerfall) über den Funktionserdungsleiter wirkungsvoll unterbunden werden.
  • Zu beachten ist, dass bei einer nicht vollständigen Kompensation der durch den Temperierbetrieb der Widerstandselemente im Wärmeübertrager kapazitiv induzierten Ableitströme über den Funktionserdungsleiter immer ein - wenn auch geringer - Ableitstrom fließt. Die Steuereinrichtung kann erfindungsgemäß einen Sensor zum Erfassen des Ableitstroms IA über den Funktionserdungsleiter aufweisen. Die Steuereinrichtung ist dabei vorzugsweise programmiert, die funktionelle Integrität des Funktionserdungsleiters und/oder die Effizienz der Kompensationseinrichtung anhand der Größe bzw. des vorhandenen Ableitstroms zu überwachen. Ein Abfallen des über den Funktionserdungsleiter abgeleiteten Ableitstroms auf/unter einen vorgegebenen minimalen Schwellenstrom Imin kann entweder auf eine schwerwiegende Funktionsstörung (Kurzschluss) eines mit dem Fluidwärmer zeitgleich an einer Person eingesetzten Geräts oder aber auf einen unterbrochenen Funktionserdungsleiter hinweisen. Der Funktionserdungsleiter ist aus messtechnischen Gründen vorzugsweise mit einem dem Sensor vorgeschalteten Vorschaltwiderstand versehen.
  • Die ansteuerbaren ersten, zweiten und/oder dritten Schalter können nach der Erfindung insbesondere als elektronische Schalter, beispielsweise als TRIACs (Zweirichtungs-Thyristortriode) oder als MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), ausgebildet sein. Diese sind am Markt vorkonfektioniert und daher kostengünstig verfügbar. Im Falle der elektronischen Schalter können zudem besonders kurze Schaltzeiten realisiert werden. Aufgrund der fehlenden Schaltkontakte können dadurch überdies ein Verschleiß der Schalter sowie unerwünschte Prelleffekte vermieden werden. Die Schalter können nach einer Weiterbildung der Erfindung auch zumindest teilweise als Relais ausgebildet sein.
  • Das Zeitintervall, innerhalb dessen die Schalter in ihren geöffneten Schaltzustand überführbar sind, ist nach der Erfindung bevorzugt auf die Periodendauer der von der eingesetzten Wechselspannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung ausgerichtet. Das Zeitintervall ist dabei in jedem Fall kürzer als eine Periodendauer T, bevorzugt kürzer als eine Halbperiodendauer Thalb, der von der Wechselspannungsquelle bereitgestellten Wechselspannung (=Netzspannung). Die maximale Schaltzeit der Schalter beträgt, beispielsweise bei einer Wechselspannung mit 50 Hz, vorzugsweise weniger als 10 ms, ganz besonders bevorzugt weniger als 1 ms.
  • Unter sicherheitstechnischen Aspekten hat es sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schalter jeweils doppelt, d.h., durch jeweils zwei in Serie angeordnete Einzelschalter, ausgeführt sind, die synchron betätigbar sind.
  • Die Schalter sind bevorzugt bei einer Spannung, die einem definierten Schwellenspannungswert entspricht oder größer als der Schwellenspannungswert ist, in ihren geöffneten Schaltzustand überführbar. Der Schwellenspannungswert kann insbesondere 132 Volt Wechselspannung betragen und ist vorzugsweise in der Steuereinrichtung abgespeichert.
  • Die Wärmeübertrager des Fluidwärmers kann im konstruktiv einfachsten Fall erfindungsgemäß zwei oder auch mehr Wärmeübertragerplatten aufweisen, die zwischen einander die Aufnahme für die Fluidleitung ausbilden. Die Wärmeübertragerplatten können dabei in an sich bekannter Weise gegeneinander bewegbar oder aber relativ zueinander starr an einem Wärmeplattenträger des Fluidwärmers angeordnet sein. Die Aufnahme kann beispielsweise einen Einschubkanal, für einen behälterartigen Leitungsabschnitt der Fluidleitung, wie beispielsweise einen Fluidbeutel oder eine Fluidkassette, sein. Dadurch wird ein großflächiger Kontakt des Wärmeübertragers mit der Fluidleitung und somit eine optimale Wärmeübertragung auf das darin strömende Fluid ermöglicht.
  • Im Hinblick auf ein effizientes Temperieren des medizinischen Fluids weist der Fluidwärmer vorzugsweise eine Abgabeleistung von zumindest 0,25 Kilowatt, bevorzugt von mehr als 0,35 Kilowatt, insbesondere ungefähr 0,4 Kilowatt, auf.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht einen besonders zuverlässigen und sicheren Betrieb des erfindungsgemäßen Fluidwärmers.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die gezeigte und beschriebene Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben für die Schilderung der Erfindung vielmehr beispielhaften Charakter.
  • In der Zeichnung zeigen:
    • Fig. 1
    ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Fluidwärmers zum Temperieren eines in einer Fluidleitung geführten Fluids, der zwei Widerstandsheizelemente mit Netzanschlussleitern für eine Wechselspannungsquelle und einen Wärmeübertrager aufweist, wobei die Netzanschlussleiter mit Schaltern versehen sind, die in Abhängigkeit von einer elektrischen Spannung zwischen dem Neutralleiter der Wechselspannungsquelle und dem Wärmeübertrager in ihren nicht-stromführenden Schaltzustand überführbar sind;
    Fig. 2
    ein Blockschaltbild eines Fluidwärmers, bei dem der Wärmeüberträger zusätzlich funktionsgeerdet ist;
    Fig. 3
    ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Fluidwärmer.
  • Fig. 1 zeigt einen Fluidwärmer 10 zum Temperieren eines in einer Fluidleitung 12 geführten medizinischen Fluids 14. Der Fluidwärmer 10 weist ein Gehäuse 16 mit zwei in dem Gehäuse 16 voneinander beabstandet angeordneten Widerstandsheizelementen 18 auf, die mit einem Wärmeübertrager 20 thermisch gekoppelt, d.h., mit diesem wärmeleitend verbunden, sind. Das in der Fig. 1 rechts dargestellte Widerstandsheizelement 18 ist aus Darstellungsgründen nur mit gestrichelter Linie angedeutet. Die Widerstandsheizelemente 18 sind vorliegend jeweils als Heizspirale ausgebildet, können aber auch eine andere Formgebung aufweisen.
  • Der Wärmeübertrager 20 weist zwei zueinander parallel ausgerichtete Wärmeübertragerplatten 20a, 20b auf, die unter Ausbildung einer Aufnahme 22 voneinander beabstandet angeordnet sind. In der Aufnahme 22 ist ein beutelförmig erweiterter Leitungsabschnitt (Fluidbeutel) 12a der Fluidleitung 12 eingeschoben bzw. eingelegt. Der Leitungsabschnitt 12a liegt an den beiden Wärmeübertragerplatten 20a, 20b des Wärmeübertragers 20 im wesentlichen vollflächig an. Dadurch wird eine optimale Wärmeübertragung auf das in der Fluidleitung strömend geführte Fluid 14 gewährleistet.
  • Die Fluidleitung 12 ist als eine im medizinischen Sektor an sich bekannte Infusionsleitung ausgebildet und besteht aus einem Kunststoff. Die Fluidleitung ist einenends, beispielsweise über einen nicht näher wiedergegebenen venösen Zugang /Venenverweilkatheter, an einen Blutkreislauf (nicht gezeigt) einer zu behandelnden Person P, angeschlossen. Das Fluid 14 steht somit vorliegend mit dem Blutkreislauf der Person P unter Umgehung des in der Regel hochohmigen Hautwiderstands in einem elektrisch leitfähigen Kontakt. Mit G ist ein weiteres (medizinisches) Gerät bezeichnet, das beispielsweise als Dialyseeinheit ausgebildet sein kann. Das Gerät G wird zeitgleich mit dem Fluidwärmer betrieben und ist mit diesem/der Person P über die Fluidleitung 12 verbunden.
  • Jedes Widerstandsheizelement 18 weist einen ersten und einen zweiten Netzanschlussleiter 24a, 24b auf, die einem elektrischen Anschluss des Widerstandsheizelements 18 an eine Netzspannung, d.h, an eine externe Wechselspannungsquelle 26, dienen. Die Netzanschlussleiter des in der Figur rechts dargestellten Widerstandsheizelements 18 sind nicht gezeigt.
  • Die für den Betrieb der Widerstandsheizelemente 18 vorgesehene Wechselspannungsquelle 26 weist eine übliche länderspezifische Betriebsspannung von beispielsweise 230 V ± 10%, und eine Netzfrequenz von ungefähr 50Hz auf.
  • Der in der Fig. obere Netzanschlussleiter 24a der Widerstandsheizelemente 18 ist vorliegend mit einem Außenleiter 26a der Wechselspannungsquelle und der zweite Netzanschlussleiter 24b mit einem Neutralleiter 26b der Wechselspannungsquelle 26 elektrisch leitend verbunden.
  • Die beiden Netzanschlussleiter 24a, 24b und das jeweilige Widerstandsheizelement 18 bilden einen Netzstromkreis des Fluidwärmers 10, der mittels einer verstärkten, hier doppelten, Isolierung 28 gegenüber dem Patienten P bzw. einem Anwender elektrisch isoliert ist. Bei dem in der Figur rechts dargestellten Widerstandsheizelement 18 ist die Isolierung 28 aus Darstellungsgründen nicht gezeigt.
  • An den beiden Widerstandsheizelementen 18 liegt bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Temperierbetrieb des Fluidwärmers 10 jeweils eine Wechselspannung (=Netzspannung) an. Die beiden Wechselspannungen sind dabei zueinander gleichphasig, so dass die Widerstandsheizelemente 18 im Temperierbetrieb von zueinander gleichphasigen Heizströmen durchflossen sind.
  • Eine elektrische Kompensationseinrichtung, hier eine Kompensationsschaltung 30, dient dazu, eine im Temperierbetrieb des Fluidwärmers 10 unvermeidbare kapazitive Einstreuung der Widerstandsheizelementen 18 in den Wärmeübertrager 20 zu kompensieren. Die Kompensationsschaltung 30 weist einen LC-Schwingkreis 32 mit einer Spule L und einem Kondensator C auf. Der LC-Schwingkreis ist an den Wärmeübertrager und den Netzanschlussleiter angeschlossen, der neutralleiterseitig an die Wechselspannungsquelle angeschlossenen ist. Die Spule L und der Kondensator C des LC-Schwingkreises 32 sind vorliegend in Reihe geschaltet. Die Spule L ist durch eine Sekundärseite eines Trafos T gebildet, der primärseitig an die beiden Netzanschlussleiter 24a, 24b der Widerstandsheizelemente 18 angeschlossen ist. Beim gemeinsamen Betrieb der Widerstandsheizelemente 18 und des Transformators T an der Netzspannung der Wechselspannungsquelle 26 wird der LC-Schwingkreis zu einer elektrischen Schwingung angeregt. Aufgrund einer (vorgegebenen) Phasenverschiebung des Stroms im LC-Schwingkreis (von ungefähr 180°) gegenüber dem Heizstrom der Widerstandsheizelemente 18 wird die kapazitive Einstreuung der Widerstandsheizelemente in den Wärmeübertrager 20 kompensiert oder im Wesentlichen kompensiert. Der oben beschriebene Schwingkreis kann auch mit elektronischen Bauelementen aufgebaut sein (z.B. unter Verwendung eines Mikroprozessors).
  • Eine Steuereinrichtung 34 mit einem nicht näher wiedergegebenen Anzeige- und Bedienfeld dient vorliegend einer Steuerung aller Betriebsparameter des Fluidwärmers 10. Die Steuereinrichtung 34 ist dazu programmiert, eine netzeingangsseitigen Polung der Netzanschlussleiter 24a, 24b an der Wechselspannungsquelle 26 zu detektieren. Die Polung der Netzanschlussleiter 24a, 24b kann mittels einer durch die Steuereinrichtung gesteuerten Polungsumschalteinrichtung 36 auf die in der Fig. 1 gezeigte (vorgegebene) Polung umgeschaltet werden. Dadurch ist die Kompensationsfunktion der Kompensationsschaltung unabhängig von einem mechanischen Anschluss der Netzanschlussleiter 24a, 24b gewährleistet.
  • Zur Temperaturüberwachung des Wärmeübertragers 20 dient eine Temperaturmesseinrichtung 38 mit einer Auswerteeinheit 40 und mit einem am oder im Wärmeübertrager 20 angeordneten Temperatursensor 42. Der Temperatursensor 42 ist über eine elektrisch leitfähige Verbindungsleitung 44 mit der Auswerteeinheit 40 verbunden. Die Temperaturmesseinrichtung 38 kann Bestandteil der Steuereinrichtung 34 sein.
  • Die Steuereinrichtung 34 weist eine Spannungsmesseinrichtung 46 auf, mittels derer eine elektrische Spannung U zwischen dem Wärmeübertrager 20 und dem Neutralleiter 26b der Wechselspannungsquelle 26 erfasst bzw. überwacht werden kann.
  • Wie in Fig. 1 gezeigt ist, sind die beiden Netzanschlussleiter 24a, 24b der Widerstandsheizelemente 18 mit ansteuerbaren ersten Schaltern 48a und die Verbindungsleitung 44 der Temperaturmesseinrichtung 38 mit ansteuerbaren zweiten Schaltern 48b versehen. Die Schalter 48a, 48b sind jeweils zwischen einem eingeschalteten (geschlossenen) und einem in der Figur gezeigten ausgeschalteten (geöffneten) Schaltzustand umschaltbar. Im eingeschalteten Schaltzustand sind die Schalter 48a, 48b stromleitend, d.h., deren Schaltereingang ist mit dem Schalterausgang niederohmig elektrisch leitend verbunden. Im ausgeschalteten Schaltzustand sind die Schalter nicht stromleitend, d.h., deren Ein- und Ausgang sind im ausgeschalteten Schaltzustand jeweils voneinander elektrisch isoliert. Die Schalter 48a, 48b sind vorliegend jeweils als Relais ausgebildet, können aber auch als MOSFET (MetallOxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor), als TRIAC (Zweirichtungs-Thyristortriode) oder dergl., ausgebildet sein. Die Schalter 48a, 48b sind von der Steuereinrichtung 34 ansteuerbar. Das vorgegebene Zeitintervall, innerhalb dessen die Schalter 48a, 48b durch die Steuereinrichtung 34 in ihren geöffneten Schaltzustand überführbar sind, ist immer kleiner als eine Periodendauer, vorzugsweise kleiner als eine Halbperiodendauer, der zum Betrieb der Widerstandsheizelemente 18 eingesetzten Wechselspannung der Wechselspannungsquelle 26. Das Zeitintervall ist bei einer Netzfrequenz von 50 Hz insbesondere kleiner als 10 ms.
  • In der Steuerungseinrichtung 34 ist für die elektrische Spannung zwischen dem Wärmeübertrager und dem Neutralleiter 26b der Wechselspannungsquelle 26 ein Schwellenspannungswert Umax hinterlegt (abgespeichert). Die Steuereinrichtung 34 ist dazu programmiert, die Schalter 48a, 48b in ihren geöffneten Schaltzustand zu überführen, sobald die Spannung U zwischen dem Wärmeübertrager und dem Neutralleiter 26b die Schwellenspannungswert Umax erreicht oder überschreitet. Dadurch kann im Fehlerfall (SFC) ein Abfließen eines unerwünschten Ableitstroms vom Wärmeübertrager 20 über die Widerstandsheizelemente 18 bzw. die Temperaturmesseinrichtung 38 und den Neutralleiter 26b der Wechselspannungsquelle 26 unterbunden werden. Darüber hinaus wird eine weitere kapazitive Einkopplung von den Widerstandsheizelementen 18 in den Wärmeüberträger 20 sowie das darin geführte Fluid 14 unterbunden. Einem unerwünschten Ableitstrom des Fluidwärmers über die Fluidleitung kann dadurch sicher entgegengewirkt werden.
  • Bei einem nicht näher gezeigten Ausführungsbeispiel des Fluidwärmers 10 liegen an den beiden Widerstandsheizelementen 18 im Temperierbetrieb zueinander gegenphasige Wechselspannungen an. In diesem Fall ist die vorstehend beschriebene Kompensationsschaltung nicht erforderlich. Zum Erzeugen einer zu der am einen Widerstandsheizelement 18 anliegenden Wechselspannung gegenphasigen Wechselspannung kann ein Phasenschieber oder dergl. eingesetzt werden.
  • Fig. 2 zeigt einen Fluidwärmer 10, der sich von dem im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Fluidwärmer 10 im Wesentlichen darin unterscheidet, dass der Wärmeübertrager 20 mittels eines Funktionserdungsleiters FE funktionsgeerdet ist. Der Funktionserdungsleiter FE ist mit dem Schutzleiter PE des Fluidwärmers 10 elektrisch leitend verbunden. Der Funktionserdungsleiter FE ist mit einem von der Steuereinrichtung ansteuerbaren dritten Schalter 48c verbunden. Der ansteuerbare dritte Schalter kann zu den anderen Schaltern 48a, 48b baugleich sein. Eine Strommesseinrichtung 50 ist mit der Steuerungseinrichtung 34 verbunden und dient dem Erfassen des über den Funktionserdungsleiter (ab)fließenden Ableitstroms 1. Der Strommesseinrichtung 50 ist ein Vorschaltwiderstand R vorgeschaltet. Im Temperierbetrieb des Fluidwärmers 10 wird bei einer nicht vollständigen Kompensation der kapazitiven Einstreuungen der Widerstandsheizelemente 18 in den Wärmeübertrager 20 grundsätzlich ein geringer Ableitstrom IA über die Funktionserdungsleiter FE fließen. Die Steuereinrichtung 34 ist vorliegend dazu programmiert, den Ableitstrom IA mit einer in der Steuereinrichtung 34 abgespeicherten minimalen Schwellenstromstärke Imin zu vergleichen und, sofern der Ableitstrom IA kleiner oder gleich der minimalen Schwellenstromstärke Imin ist, die ansteuerbaren ersten, zweiten und dritten Schalter 38a, 38b, 38 c innerhalb der vorgegebenen Schaltzeit gemeinsam in ihren geöffneten Schaltzustand überführen.
  • Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren 100 zum Betrieb des Fluidwärmers 10 aus Fig. 1 und 2 unter zusätzlicher Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert.
  • Die Steuereinrichtung 34 (Fig. 1, 2) des Fluidwärmers 10 ist zur Ausführung der einzelnen Verfahrensschritte programmiert. Die Steuereinrichtung 34 kann jedoch auch durch ihre rein hardwaremäßige Ausgestaltung die Durchführung des Verfahrens 100 ermöglichen.
  • Nach einem Anschließen 102 des Fluidwärmers 10 an die Wechselspannungsquelle 26 und einem Einschalten des Fluidwärmers 10 befindet sich die Steuereinrichtung 34 zunächst in einem Standby Modus.
  • Vor Beginn des Temperierbetriebs des Fluidwärmers 10 wird in einem weiteren Schritt 104 die Polung der Netzanschlussleiter 24a, 24b bezüglich der Wechselspannungsquelle 26 bestimmt und mit der vorgegebenen Polung vergleichen. Bei einer von der vorgegebenen Polung abweichenden Polung der Netzanschlussleiter 24a, 24b bezüglich des Außenleiters 26a und des Neutralleiters 26b der Wechselspannungsquelle 26 wird die Polung durch die Steuereinheit 34 mittels des Polungsumschalters 36 auf die in den Figuren 1 und 2 gezeigte vorgegebene Polung umgestellt.
  • Zur erstmaligen Aufnahme des Temperierbetriebs werden die ersten Schalter der beiden Netzanschlussleiter 24a, 24b in einem weiteren Schritt 106 geschlossen. Man beachte, dass für den Temperiervorgang das intermittierende "Ab"- und "Anschalten" der Widerstandsheizelemente 18 erforderlich ist. Dazu werden im Normalbetrieb des Fluidwärmers lediglich die ansteuerbaren ersten Schalter 48a der mit dem Außenleiter 26a der Wechselspannungsquelle 26 verbundenen Netzanschlussleiter 24a von der Steuereinrichtung 34 angesteuert.
  • Während des Temperierbetriebs des Fluidwärmers 10 wird in einem weiteren Schritt 108 die Spannung U zwischen dem Wärmeübertrager 20 und dem Neutralleiter 26b der Wechselspannungsquelle 26 von der Spannungsmesseinrichtung 46 kontinuierlich erfasst und die erfasste Spannung U von der Steuereinrichtung 34 mit dem in der Steuereinrichtung 34 hinterlegten Schwellenspannungswert Umax verglichen.
  • Sobald die Spannung U den Schwellenspannungswert Umax erreicht oder übersteigt, werden die Schalter 48a, 48b, 48c in einem weiteren Schritt 110 innerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls gemeinsam in ihren geöffneten Schaltzustand überführt, so dass sich der Fluidwärmer 10 in einem aktivierten Schutzmodus befindet.
  • Sofern der Fluidwärmer 10 mit einem funktionsgeerdeten Wärmeübertrager 20 versehen ist, überwacht die Steuereinrichtung im Temperierbetrieb des Fluidwärmers 10 in einem Schritt 112 zusätzlich den über den Funktionserdungsleiter FE fließenden Ableitstrom IA. Sobald der Ableitstrom IA gleich oder kleiner als die minimale Schwellenstromstärke Imin ist, wird dies als eine Störung (Unterbrechung) des Funktionserdungsleiters bewertet und die Steuereinrichtung 34 überführt die Schalter 48a, 48b, 48c in dem Schritt 110 in ihren geöffneten Schaltzustand. Im stand-alone Betrieb des Fluidwärmers 10 kann so eine fehlerhafte Funktionserdung FE des Wärmeübertragers 20 festgestellt und eine Gefährdung des Patienten P durch unerwünscht hohe Patientenableitströme entgegengewirkt werden. Bei einem zeitgleichen Einsatz des Fluidwärmers 10 mit einem weiteren Gerät G am Patienten P können darüber hinaus Störungen des anderen Geräts G, bei dem kapazitive Ableitströme überwiegend oder alleinig über das andere Gerät G abgeführt werden, erkannt werden. Der Fluidwärmer 10 befindet sich auch hier in seinem aktivierten Schutzmodus. Der aktivierte Schutzmodus des Fluidwärmers 10 kann in einem weiteren Schritt 114 am Fluidwärmer 10 für eine Bedienperson durch einen Signalgeber optisch und/oder akustisch angezeigt werden.

Claims (12)

  1. Fluidwärmer (10) zum Temperieren eines in einer Fluidleitung (12) geführten medizinischen Fluids (14), umfassend:
    ein erstes und ein zweites Widerstandsheizelement (18) für Wechselspannung,
    einen mit den beiden Widerstandsheizelementen (18) thermisch gekoppelten Wärmeübertrager (20), der eine Aufnahme (22) für die Fluidleitung (12, 12a) aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, dass:
    - jedes Widerstandsheizelement (18) jeweils einen ersten und einen zweiten elektrischen Netzanschlussleiter (24a, 24b) zum Anschließen des Widerstandsheizelements (18) an eine Wechselspannungsquelle (26) aufweist,
    - die Netzanschlussleiter (24a, 24b) der beiden Widerstandsheizelemente (18) jeweils mit einem ansteuerbaren ersten Schalter (48a) versehen sind;
    - die Widerstandsheizelemente (18) im Temperierbetrieb jeweils mit einer zueinander gegenphasigen Wechselspannung beaufschlagt sind; oder
    - die Widerstandsheizelemente (18) im Temperierbetrieb mit zueinander gleichphasigen Wechselspannungen beaufschlagt sind und der Wärmeübertrager (20) mittels einer Kompensationsschaltung (30) mit einer zur Wechselspannung im Wesentlichen gegenphasigen Kompensationswechselspannung beaufschlagt ist;
    und ferner eine Spannungsmesseinrichtung (46) zum Bestimmen einer Spannung (U) zwischen dem Wärmeübertrager (20) und einem Neutralleiter (26b) der Wechselspannungsquelle (26); und
    eine Steuereinrichtung (34) zum synchronisierten Überführen der Schalter (48a) in ihren geöffneten Schaltzustand in Abhängigkeit von der Spannung (U) vorgesehen sind
  2. Fluidwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (30) einen LC-Schwingkreis (32) umfasst.
  3. Fluidwärmer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationsschaltung (30) eine Phasenregelschleife oder einen Phasenschieber umfasst.
  4. Fluidwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwärmer (10) eine Polungsumschalteinrichtung (36) zum Umschalten einer jeweiligen Polung der Anschlussleiter (24a, 24b) an der Wechselspannungsquelle (26) aufweist.
  5. Fluidwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalter (48a) bei einer Spannung (U), die gleich oder größer als ein in der Steuerungseinrichtung abgespeicherter definierter Schwellenspannungswert (Umax) ist, in ihren geöffneten Schaltzustand überführbar sind.
  6. Fluidwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidwärmer eine Temperaturmesseinrichtung (38) mit einer Auswerteeinheit (40) und mit einem am oder im Wärmeübertrager (20; 20a, 20b) angeordneten Temperatursensor (42) aufweist, der über eine elektrische Verbindungsleitung (44) mit der Auswerteeinheit (40) verbunden ist, wobei
    die Verbindungsleitung (44) mit einem ansteuerbaren zweiten Schalter (48b) versehen ist, der vorzugsweise synchron mit den ansteuerbaren ersten Schaltern (48a) der Netzanschlussleiter (24a, 24b), in seinen geöffneten Schaltzustand überführbar ist.
  7. Fluidwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (20; 20a, 20b) mit einem Funktionserdungsleiter (FE) elektrisch leitend verbunden ist, wobei der Funktionserdungsleiter (FE) mit einem ansteuerbaren dritten Schalter (48c) versehen ist, der vorzugsweise synchron mit den ansteuerbaren ersten Schaltern (48a) der Netzanschlussleiter (24a, 24b) und/oder dem ansteuerbaren zweiten Schalter (48b) der Temperaturmesseinrichtung (38) in seinen geöffneten Schaltzustand überführbar ist.
  8. Fluidwärmer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34) eine Strommesseinrichtung (50) zum Erfassen eines Ableitstroms (IA) über den Funktionserdungsleiter (FE) aufweist.
  9. Fluidwärmer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung (34) dazu programmiert ist, bei einem Ableitstrom (IA) über den Funktionserdungsleiter (FE), der gleich oder kleiner als eine vorgegebene minimale Schwellenstromstärke (Imin) ist, die ansteuerbaren ersten, zweiten und/oder dritten Schalter (48a, 48b, 48c), gemeinsam in den geöffneten Schaltzustand zu überführen.
  10. Fluidwärmer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der ansteuerbaren ersten, zweiten und/oder der dritten Schalter (48a; 48b; 48c) Feldeffekttransistoren oder Relais sind.
  11. Fluidwärmer nach einem der vorergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertrager (20) zwei Wärmeübertragerplatten (20a,20b) aufweist, die zwischen einander die Aufnahme (22) für die Fluidleitung (12, 12a) ausbilden.
  12. Verfahren (100) zum Steuern eines Fluidwärmers (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit den folgenden Schritten:
    - Erfassen (108) einer Spannung (U) zwischen dem Wärmeübertrager (20; 20a, 20b) und dem Neutralleiter (26b) der Wechselspannungsquelle (26);
    - Überführen (110) der ansteuerbaren Schalter (48a, 48b, 48c) der Anschlussleiter (24a, 24b) der Widerstandsheizelemente in ihren geöffneten Schaltzustand, sofern die Spannung (U) gleich oder größer als ein vorgegebener Schwellenspannungswert ist.
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